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PWI/DIV实验和壁诊断


 等离子体与壁相互作用(PWI)

      等离子体与壁材料相互作用(PWI)问题被认为是ITER获得成功的最关键物理与技术问题之一,直接决定了装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。研究结果对未来DEMO 和商业堆的设计、制造和运行将产生重要影响。PWI组主要依托EAST装置和其上的材料与等离子体实验平台(Material and Plasma Evaluation System - MAPES)围绕ITER关心的关键PWI问题,通过广泛的国际合作,开展面对等离子体材料部件(PFMC)的刻蚀沉积、氢同位素滞留、边界杂质溅射输运等实验与模拟研究。其结果将为ITER及CFETR提供借鉴。

PWI主要包括以下6个具体研究方向:

1、 ITER相关的第一壁部件的材料刻蚀、迁移研究。具体包括ITER第一壁瓦块上的材料迁移实验及模拟研究。W瓦块缝隙中杂质沉积和燃料滞留的实验与模拟研究。W瓦块leading edge对Monoblock结构耐高热负荷能力影响的研究。

  ITER第一壁瓦块模型在EAST-MAPES系统上进行等离子体辐照

杂质粒子在瓦块缝隙内部的作用过程

2、 EAST中PFM的刻蚀、沉积行为及其对H同位素滞留的影响。首次在EAST上建立了分布式固定标记瓦系统。利用卢瑟福背散射、核反应分析法、热脱附谱及二次离子质谱等材料分析手段,研究 EAST 等离子体辐照下的多种第一壁材料(石墨、钼、钨、碳化硅、锂)表面刻蚀及其中氢同位素滞留的行为与机制。
3、 激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy - LIBS)在托克马克装置中的应用研究。聚变装置壁材料(尤其是非平整表面材料)的痕量元素原位在线分析是目前各国致力解决的重点难题之一。而解决上述问题的关键是使用灵敏度高、分析速度快、时空分辨率高并适合于复杂环境的元素分析手段,而LIBS恰恰具备上述特征,被公认为一种极具价值和前景的分析工具。

 

 

EAST装置中平面H窗口的LIBS系统

4、 边界重杂质产生及其输运行为研究。具有高熔点、低溅射、低H同位素滞留等优异性能的钨被认为是目前最适合的托克马克装置壁材料。但其属于高Z材料,与等离子体的相容性差,有较强的辐射致冷效应,10-5含量的W杂质就会导致等离子体破裂。通过专门的边界高Z杂质光谱诊断系统对EAST偏滤器W靶板的溅射进行监测,结合其它诊断手段及数值模拟研究W杂质的输运行为。
5、 辐射偏滤器研究。偏滤器承受着严酷稳态和瞬态高热负荷和粒子轰击,溅射的靶板材料杂质回流会对芯部等离子体造成巨大威胁。降低靶板的溅射和表面热沉积最有效的等离子体物理方案就是适当引入杂质,通过辐射和电荷交换降低靶板表面的溅射和功率沉积,即采用辐射偏滤器运行的方式来降低靶板的热负荷,并通过强大的偏滤器抽气系统维持排灰和排杂质效果。通过与六室合作,在EAST上开展主动控制辐射/抽气偏滤器的实验和模拟工作,探索主动控制入射偏滤器表面的粒子流和热流的有效方法。
6、 托克马克装置中杂质灰尘研究。聚变装置中的灰尘能够对第一壁的热、机械、电磁等性能造成影响,是等离子体与壁相互作用研究的一个重要方向。课题组采用分子动力学方法,研究不同的灰尘对壁材料的轰击溅射行为,并对其安全性进行评估。

W灰尘碰撞导致W壁产生溅射